Capítulo 4 Funções de duas variáveis

Capítulo 4
Funções de duas variáveis
4.1
Funções de varias variáveis - Definição e exemplos
Definição 1: Chamamos de função real com n variáveis a uma função do tipo
f : D → R com D ⊂ Rn = R × · · · × R.
Ou seja, uma função cujo domínio D (ou D(f )) é um subconjunto de Rn e seu contradomínio é R.
Exemplo:
1. f : R2 → R, (x, y) 7→ 2x + 3y
D = R, é uma função real de duas variáveis (é também uma função linear).
2. f : R3 → R, (x, y, z) 7→ x2 + 3y + z
D = R3 , é uma função real de três variáveis (é também uma função polinomial)
2x
+ y2 + z2
D = R3 −{(0, 0, 0)} ⊂ R3 é uma função real de três variáveis (é também uma função
3. f : R3 − {(0, 0, 0)} → R, (x, y, z) 7→
x2
racional, isto é, quociente de duas funções polinomiais).
Usamos, também, a notação ( mais resumida) para representar funções reais de n variáveis;
y = f (x1 , · · · , xn )
Neste caso D(f ) é o conjunto D(f ) = {(x1 , · · · , xn ) ∈ Rn ; f (x1 , · · · , xn ) ∈ R}
40
4.2
Domínio - Representação Gráfica
Exemplo : Determine e represente geometricamente os domínios das funções
Representação gráfica
y
1. f (x, y) = 3x2 + 1
D(f ) = R2
x
O
Figura 1
3x2 − 1
2. f (x, y) = 2
x + y2 + 1
x2 + y 2 + 1 = 0, não tem solução, logo D(f ) = R2 .
Representação gráfica: Figura 1
3x2 + y
3. f (x, y) = 2
x + y2
x2 + y 2 = 0. Como x2 ≥ 0 e y 2 ≥ 0 então
Representação gráfica
y
x2 + y 2 = 0 ⇔ x2 = 0 e y 2 = 0
⇔ x = 0 e y = 0.
x
O
Logo D(f ) = R2 − {(0, 0)}.
Representação gráfica
3
=
x
y
y
x
x−y
D(f ) = {(x, y) ∈ R2 ; x − y 6= 0},
4. f (x, y) =
ou seja, todo o plano exceto a 1a bissetriz.
O
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x
41
Representação gráfica
y
y=
y
«
x−y
>0
y−1
equivalente a x − y > 0 e y − 1 > 0
D(f ) = (x, y) ∈ R2 ;
x
¨
x−y
y−1
Representação gráfica
Œ
=
6. f (x, y) = ln
x
O
y=1
y
‚
x2
2x + y
5. f (x, y) = √ 2
x −y
D(f ) = {(x, y) ∈ R2 ; x2 > y}
O
ou x − y < 0 ou y − 1 < 0.
x
Representação gráfica
7. f (x, y) = arcsec(x2 + y 2 )
y
D(f ) = {(x, y) ∈ R2 ; x2 +y 2 ≤ −1 ou x2 +y 2 ≥ 1},
ou melhor, como x2 + y 2 ≤ −1 não ocorre para
nenhum (x, y) ∈ R2 ,
2
O
2
x
2
D(f ) = {(x, y) ∈ R ; x + y ≥ 1}.
‚
y2
8. f (x, y) = arccos x +
4
Œ
Representação gráfica
2
y2
D(f ) = {(x, y) ∈ R2 ; −1 ≤ x2 +
≤ 1}, ou
4
y2
melhor, como −1 ≤ x2 +
para todo (x, y) ∈ R2
4
y2
D(f ) = {(x, y) ∈ R2 ; x2 +
≤ 1}
4
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y
x
42
4.3
Construção de gráficos e curvas de nível
Gráfico
Definição: Dado uma função f : D → B seu gráfico é o conjunto {(a, f (a); a ∈ D}.
No caso de funções reais de uma variável temos:
f : D → R; D ⊂ R seu gráfico é uma curva do R2 .
Para uma função de duas variáveis
f : D → R, D ⊂ R2
(x, y) → f (x, y)
O gráfico da função f é uma superfície de R3 .
Exemplo: A esfera x2 + y 2 + z 2 = 1 é uma superfície de R3 que não é gráfico de função
z = f (x, y).
Da equação da esfera tem-se,
È
z = ± 1 − x2 − y 2
Sejam as funções f (x, y) =
√
g(x, y) = − 1 − x2 − y 2
√
1 − x2 − y 2 e
D(f ) = D(g) = {(x, y) ∈ R2 ; x2 + y 2 ≤ 1}
(O círculo x2 + y 2 = 1 e seu interior)
O gráfico de f é a semi-esfera superior (z ≥ 0)
e o gráfico de g é a semi-esfera inferior (z ≤ 0).
Curvas de nível
Um recurso auxiliar para esboçar gráficos são as curvas de nível da função.
Definição: Dados uma função z = f (x, y) e k ∈ R, a curva de nível de f em z = k é o
conjunto {(x, y) ∈ R2 ; f (x, y) = k}. Ou seja, é o conjunto dos elementos do domínio de
f que possuem imagens igual a k. É também a intersecção do gráfico de f com o plano
(paralelo a XOY ) de equação z = k
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Exemplo 1: Determine e esboce a curva de nível de f (x, y) =
y
em z = 2.
x
Representação gráfica
A curva de nível é o conjunto dos pontos (x, y) ∈ R2
y
que satisfazem a
y
2 = ⇔ y = 2x com x 6= 0. Ou seja, trata-se da reta
x
de equação y = 2x exceto o ponto (0, 0)
x
Exemplo 2: Dada a função
f (x, y) =
y2
x
−1
determine e represente seu domínio e as suas curvas de nível.
Representação gráfica
y
D(f ) = {(x, y) ∈ R ; y 6= −1 e y 6= 1} (ou seja, todo
2
o plano exceto as retas y = 1 e y = −1).
x
Curvas de nível
x
= k que é equivalente a x = k(y 2 − 1) com y 6= 1 e y 6= −1.
−1
Para k =
6 0, temos a parábola x = k(y 2 − 1) com exceção dos pontos (0, −1) e (0, 1)
Seja a equação
y2
Para k = 0 temos x = 0 com y 6= 1 e y 6= −1, ou seja, o eixo OY exceto os pontos
(0, 1) e (0, −1).
Representação gráfica
y
y
x
k≥0
k<0
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x
44
Exemplo 3:
I) Determine e represente graficamente.
i) Domínio de f.
ii) Curvas de nível.
iii) Interseções com os planos coordenados.
II) Esboce o gráfico de f usando os itens de I).
Exemplo 3.1 f (x, y) = x2 + y 2
Representação gráfica
y
i) D(f ) = R2
O
x
Figura 1
ii) Curvas de nível
Seja a equação x2 + y 2 = k. Como x2 ≥ 0 e y 2 ≥ 0 então
– se k < 0 a equação não tem solução. Ou seja, para qualquer k < 0 (abaixo do
plano XOY ) a curva de nível correspondente é o ∅.
– Fazendo k = 0 (intersecção com o plano XOY ), a equação x2 + y 2 = 0 tem
solução x = 0 e y = 0. A curva de nível em z = 0 é (0, 0).
– Fazendo k > 0, a equação x2 + y 2 = k pode ser escrita como
√
x2 + y 2 = ( k)2
Portanto para qualquer k > 0 a curva de nível correspondente é um círculo de
√
raio k e centro na origem do R2 .
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45
Representação gráfica das curvas de nível
y
k>0
b
k
b
√
k
x
Como todas as curvas de nível são círculos com centros em (0, 0) concluímos que o gráfico de f (x, y) é uma superfície de revolução em torno de
OZ.
iii) Interseções com os planos coordenados.
–
–
T
T
XOY : Já foi obtido, corresponde à curva no nível z = 0.
XOZ : Fazendo y = 0 na equação z = x2 + y 2 . obtém-se z = x2 , equação de
uma parábola
–
T
Y OZ : Fazendo x = 0 na equação z = x2 + y 2 . obtém-se z = y 2 , a parábola
obtida em XOZ.
Concluímos que o gráfico é um parabolóide de revolução
II) Gráfico de f
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46
Exemplo 1.2 f (x, y) = 1 − y 2
i) D(f ) = R2
Representação gráfica de D(f ) : Figura 1
ii) Curvas de nível
√
Seja a equação 1 − y 2 = k. Extraindo o valor de y temos y = ± 1 − k
– Logo, para k > 1 (isto é, 1 − k < 0 ) a curva de nível correspondente é o vazio.
– Para k = 1 temos y = 0 e x é qualquer. Então a curva de nível é o eixo OX.
– Para k < 1, y assume os dois valores de (∗) e x é qualquer. Então a curva de
√
√
nível é constituída das duas retas paralelas a OX, y = − 1 − k e y = 1 − k.
Representação gráfica das curvas de nível
y
√
b
1−k
x
b
√
− 1−k
iii) Intersecções com os eixos coordenados
–
T
XOY : z = 0 ⇒ 1 − y 2 = 0 ⇒ y = ±1. Ou seja, as duas retas y = 1 e
y = −1.
–
–
T
T
XOZ : y = 0 ⇒ 1 − 02 = z ⇒ z = 1. Ou seja, a reta z = 1.
Y OZ : x = 0 ⇒ 1 − y 2 = z. Neste caso, no plano Y OZ, temos uma parábola.
II) Gráfico: Trata-se de uma superfície cilíndrica de geratrizes paralelas ao eixo OX
tal que a parábola do plano Y OZ de equação z = 1 − y 2 é uma diretriz (é o que
acontece com funções que independem de uma das variáveis x ou y )
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47
Exemplo 1.3 f (x, y) = y 2 − x2
i) D(f ) = R2
Representação gráfica : Figura 1
ii) Curvas de nível
Seja a equação y 2 − x2 = k.(∗)
– Se k = 0, temos x2 = y 2 ⇒ x = y ou x = −y, ou seja, as retas 1a e 2a
bissetrizes.
– Se k > 0, podemos escrever a equação (∗) como
y2
x2
√
√
−
=1
( k)2 ( k)2
Neste caso temos uma hipérbole com focos sobre o eixo OY
– Se k < 0 então −k > 0, podemos escrever a equação (∗) como
x2
y2
√
√
−
=1
( −k)2 ( −k)2
Neste caso temos também uma hipérbole com focos sobre o eixo OX
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48
Representação gráfica das curvas de nível
k>0
y
√
k
b
k<0
k<0
√
− −k
b
b
b
√
−k
x
√
− k
k>0
iii) Intersecções com os planos coordenados
–
–
T
T
XOY : Já foi obtido, corresponde à curva no nível z = 0.
XOZ : Fazendo y = 0 na equação z = y 2 − x2 . obtém-se z = −x2 , equação
de uma parábola
–
T
Y OZ : Fazendo x = 0 na equação z = y 2 − x2 . obtém-se z = y 2 , equação de
uma parábola
II) Gráfico: Trata-se do parabolóide hiperbólico
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49
‚
Exemplo 1. 4 f (x, y) = ln
x2
+ y2
9
Œ
Representação gráfica
y
i) D(f ) = {(x, y) ∈ R2 ;
R2 − {(0, 0)}.
2
x
+ y 2 > 0} =
9
b
O
x
Figura 1
ii) Curvas de nível
Seja a equação
‚
ln
Œ
x2
x2
+ y2 ⇔
+ y 2 = ek
9
9
Como ek é maior que zero para todo k, então a curva de nível em z = k é a elipse
de equação
x2
y2
+
=1
(3ek/2 )2 (ek/2 )2
cujo semi-eixo no eixo OX é sempre três vezes maior que e o semi-eixo no eixo OY .
Representação gráfica
(Ou seja, "quase"uma superfície de revolução)
iii) Intersecções com os planos coordenados
–
T
XOY : Significa a curva de nível em z = 0, ou seja a elipse de equação
x2
+ y2 = 1
2
(3)
Representação gráfica: Veja figura anterior
–
T
‚
XOZ : Fazendo y = 0 na equação z = ln
‚
Œ
Œ
x2
+ y2 = 1
9
x2
obtém-se z = ln
= 2ln |x| − ln 9
9
Representação gráfica
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50
–
T
‚
Y OZ : Fazendo x = 0 na equação z = ln
Œ
x2
+ y2 = 1
9
obtém-se z = ln (y 2 ) = 2ln |y|
Representação gráfica
II) Gráfico
OBS: Dada a função z = f (x1 , · · · , xn ) a superfície de nível de f em z = k é definida de
modo análogo às curvas de nível para n = 2.
Exemplo : Determine e represente graficamente as superfícies de nível da função
f (x, y, z) = x2 + y 2 + z 2
Seja a equação
x2 + y 2 + z 2 = k
• Se k > 0 então temos
√
x2 + y 2 + z 2 = ( k)2
a equação de uma esfera de centro em (0, 0, 0) e raio
√
k.
• Se k = 0 então temos o ponto (0, 0, 0).
• Para Se k < 0 a superfície de nível é o vazio.
Representação gráfica das superfícies de nível
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51
4.3.1
Exercícios
[1] Determine o domínio de cada uma das funções abaixo e represente-o graficamente:
È
√
1
(1.1) f (x, y) = 2
+ y − x2
(1.2) f (x, y) = y 2 − 4 ln (x − y)
x −1
• 2
x + y2 − 1 ˜
(1.3) f (x, y) = ln (x2 − y 2)
(1.4) f (x, y) = ln
x
 2
‹
x
2
(1.5) f (x, y) = arccos(x − y)
(1.6) f (x, y) = arcsec
+y
4
[2] Determine o domínio; determine e trace as interseções do gráfico com os planos coordenados; determine e trace as curvas de nível; e esboce o gráfico das funções:
(2.1) f (x, y) = 16 − x2 − y 2
(2.3) f (x, y) = x2
(2.5) f (x, y) = 8 − 2x − 4y
√
(2.7) f (x, y) = 4 x2 + y 2
(2.2) f (x, y) = 9x2 + 4y 2
1
(2.4) f (x, y) =
1 + y2
4
(2.6) f (x, y) = 2
x + 4y 2
[3] Descreva as curvas/superfícies de nível da cada função:
(3.1) f (x, y) = e−4x
2 −y 2
(3.2) F (x, y, z) = 2x + 3y + 6z
(3.3) F (x, y, z) = x2 − y 2 + z 2
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